Акселерометры STMicroelectronics: определяя любое движение

9 июня 2014

Акселерометры STMicroelectronics – это диапазон измеряемых ускорений до ±400g, питание 1.7…3.6 В, сверхмалое энергопотребление, высокая точность и повторяемость результатов, задаваемые пользователем параметры измерения и режимы работы. В ассортименте также имеются интегральные модули, включающие в разных сочетаниях акселерометр, гироскоп, магнитометр и микроконтроллер.

Отслеживание движения и его параметров представляется интересной и, часто, комплексной задачей, в которой могут быть задействованы датчики самых разных типов. Развитие микроэлектромеханических систем (MEMS) позволяет получить компактные решения, доступные ранее или в вариантах с механическими системами, или в вариантах, требующих достаточно больших вычислительных ресурсов. В частности, к подобным системам можно отнести гироскопы, компасы, акселерометры и аналогичные приборы.

MEMS-гироскопы, компасы, акселерометры нашли применение в мобильных устройствах (в том числе, т.н. «носимых»), в автомобильной технике, в строительстве, промышленном и профессиональном оборудовании, бытовой технике.

Акселерометр, установленный на объекте, позволяет определять ускорение, с которым объект движется. При этом появление ускорения может быть также обусловлено внешними воздействиями на объект – изменением положения, ударами, встряхиваниями, любыми неоднородностями движения объекта или выводом его из состояния равновесия. Современные приборы способны определять ускорение по одной или нескольким осям. Разрешение приборов позволяет фиксировать даже весьма незначительные воздействия.

Сферы применения акселерометров разнообразны:

  • спортивные снаряды, тренажеры и аксессуары:
    • системы защиты;
    • системы мониторинга движения и активности человека;
  • профессиональные инструменты и промышленные приборы:
    • сигнализация опасного положения или вращения;
    • мониторинг повреждений на протяжении жизненного цикла прибора;
    • предупреждение актов вандализма;
  • автомобильные приложения:
    • отслеживание параметров движения и ориентации автомобиля;
    • системы помощи водителю: стабилизация при поворотах, торможении;
    • системы автомобильной безопасности;
  • бытовая электроника:
    • отслеживание активности пользователя для определения момента перехода в режим экономии энергии;
    • определение положения прибора при отображении информации;
    • отслеживание фактов свободного падения;
    • пользовательский интерфейс: бытовые приборы, игровые приставки и консоли.

Диапазоны ускорений, встречающихся в различных задачах, представлены в таблице 1.

Таблица 1. Примеры ускорений

Пример Ускорение, g
Разгон поезда до 0.03
Разгон автомобиля 0…100 км/ч за 6.4 с 0.44
Разгон автомобиля 0…100 км/ч за 2.4 с 1.55
Вертикальная составляющая ускорения при ходьбе ~0.5…2.5
Аттракцион «Американские горки» 3.5…6.3
Самолет на вираже до 8
Катапультирование 15
Раскрытие парашюта 33
Удар ногой по мячу 300
Ускорение снаряда при выстреле ~15000

 

Акселерометры STMicroelectronics

MEMS-технологии являются одним из быстроразвивающихся направлений деятельности STMicroelectronics. Весь цикл – кремниевое производство, тестирование, корпусировка, калибровка – выполняется на собственных производственных мощностях, что положительно сказывается на качестве конечной продукции.

MEMS-портфолио STMicroelecronics включает в себя интеллектуальные датчики физических величин и их сборки, датчики температуры, емкостные датчики и сенсорные панели [1].

Акселерометры STMicroelectronics представлены аналоговыми и цифровыми приборами и охватывают диапазон измеряемых ускорений до ±400g с питанием 1.7…3.6 В. Акселерометры имеют целый ряд дополнительных опций, делающих их идеальными для систем с низким и ультранизким энергопотреблением. Среди них – режимы пониженного энергопотребления, режимы ожидания событий, автоматический переход в активный режим, наличие FIFO-буфера. Указанные опции снижают не только собственное потребление акселерометра, но и нагрузку на хост-контроллер, что также уменьшает общее потребление системы.

В целом акселерометры STMicro­electronics обладают высокой точностью и повторяемостью результатов (рисунок 1: число испытаний – 2790, диапазон ускорений – до 250g, точность – до 98%, среднеквадратичное отклонение – 0.997).

Рис. 1. Точность MEMS-акселерометров STMicroelectronics

Рис. 1. Точность MEMS-акселерометров STMicroelectronics

Компактные размеры акселерометров позволяют применять их в мобильных и носимых приборах, от мобильных телефонов и планшетов до часов, пульсометров, шагомеров и подобных им устройств. Размеры самого миниатюрного из акселерометров – 2х2х1 мм.

В линейку акселерометров STMicro­electronics [2] входят серии, оптимизированные для автомобильных приложений (рисунок 2), например серия AIS32x с расширенным температурным диапазоном работы, отвечающая требованиям стандарта AEC-Q100.

Рис. 2. Серии акселерометров STMicroelectronics

Рис. 2. Серии акселерометров STMicroelectronics

Полное портфолио акселерометров можно найти на офицальном сайте STMicroelectronics. Но разработчику, прежде чем закладывать в свое изделие акселерометр, нужно учитывать, что не все изделия из линейки предназначены для массового рынка. По факту все акселерометры и остальные MEMS-дачтики делятся на две группы – рекомендованные и не рекомендованные для массового применения. Т.е. разработчик может использовать нерекомендованные датчики в своем изделии, но производитель не дает гарантии, что будет поддерживать их на рынке довольно долгое время. Это связано с тем, что датчики данной группы были разработаны с ориентацией на нескольких крупных заказчиков – Apple, Samsung, Nikon и т.д. В таблице 2 приведены акселерометры, которые ориентированы на массовый рынок, и производитель гарантирует их долгий срок жизни на рынке.

Таблица 2. Акселерометры STMicroelectronics

Наименование Тип корпуса;
размер, мм
Оси Диапазон измерений, g Выход Напряжение питания, В Потребляемый ток в активном режиме, мА
AIS328DQ QFN 24; 4x4x1.8 X, Y, Z ±2; ±4; ±8 Цифровой 2.4…3.6 0.25
H3LIS331DL LLGA 16; 3x3x1.0 X, Y, Z ±100; ±200, ±400 Цифровой 2.16…3.6 0.3
LIS2DH LGA 14; 2x2x1.0 X, Y, Z ±2; ±4; ±8; ±16 Цифровой 1.71…3.6 0.011
LIS2DH12 VFLGA; 2х2х1 X, Y, Z ±2; ±4; ±8; ±16 Цифровой 1.71…3.6 0.011
LIS2DM LGA 14; 2x2x1 X, Y, Z ±2; ±4; ±8; ±16 Цифровой 1.71…3.6 0.006
LIS2HH12 VFLGA; 2х2х1 X, Y, Z ±2; ±4; ±8 Цифровой 1.71…3.6 0.005
LIS302DL LGA 14; 3x5x0.9 X, Y, Z ±2; ±8 Цифровой 2.16…3.6 0.3
LIS331DL LLGA 16; 3x3x1.0 X, Y, Z ±2; ±8 Цифровой 2.16…3.6 0.3
LIS331DLH LLGA 16; 3x3x1.0 X, Y, Z ±2; ±4; ±8 Цифровой 2.16…3.6 0.25
LIS331DLM LLGA 16; 3x3x1.0 X, Y, Z ±2; ±4; ±8 Цифровой 2.16…3.6 0.25
LIS331EB LLGA 16L; 3х3х1.0 X, Y, Z ±2; ±4; ±6 ;±8; ±16 Цифровой 1.71…3.6 0.25
LIS331HH LLGA 16; 3x3x1.0 X, Y, Z ±6; ±12; ±24 Цифровой 2.16…3.6 0.25
LIS3DH LLGA 16; 3x3x1.0 X, Y, Z ±2; ±4; ±8; ±16 Цифровой 1.71…3.6 0.011
LIS3DSH LLGA 16; 3x3x1.0 X, Y, Z ±2; ±4; ±6; ±8; ±16 Цифровой 1.71…3.6 0.25

В общем случае в состав акселерометра (рисунок 3) входит подвижная трехмерная структура, которую можно представить в виде набора конденсаторов переменной емкости, усилителя заряда, связанного с мультиплексором, подающим сигнал на вход усилителя, и демультиплексором, выдающим сигналы для сигма-дельта АЦП. После АЦП данные фильтруются и поступают в регистры хранения. Доступ к данным и управление настройками акселерометра осуществляются по I2C- или SPI-интерфейсу, отдельный блок управляет работой акселерометра и формированием прерываний.

Рис. 3. Структурная схема трехосевого акселерометра

Рис. 3. Структурная схема трехосевого акселерометра

LIS3DH [3] является высокопроизводительным трехосевым цифровым акселерометром с ультранизким энергопотреблением (рисунок 4). LIS3DH имеет два режима работы – нормальный, обеспечивающий высокую производительность, и режим пониженного потребления.

Рис. 4. Структурная схема акселерометра LIS3DH

Рис. 4. Структурная схема акселерометра LIS3DH

Динамический диапазон измерений датчика может выбираться пользователем и лежит в пределах ±2g/±4g/±8g/±16g. Частота следования отсчетов – 0.001…5 кГц. Встроенная функция самотестирования позволяет проверить функционирование датчика в конечном устройстве.

Акселерометр может генерировать два независимых сигнала прерывания – срабатывание по преодолению порогового значения или по обнаружению свободного падения, а также по изменению положения устройства. Пороги и времена срабатывания прерываний могут быть заданы пользователем.

На каждый канал измерений (ось) имеется собственный десятиразрядный FIFO-буфер на 32 значения.

В качестве дополнительного бонуса LIS3DH имеет три внешних канала АЦП (10 бит) для отслеживания внешних сигналов.

Основные характеристики:

  • рабочий температурный диапазон: -40…85°C;
  • независимые выводы питания акселерометра и линий ввода-вывода;
  • потребление в режиме LowPower – менее 2 мкА;
  • I2C-/SPI-интерфейс;
  • шестнадцатибитные выходные данные;
  • детектирование положения 6D/4D;
  • определение свободного падения;
  • определение начала движения;
  • перегрузки до 10000g;
  • встроенный датчик температуры;
  • три дополнительных канала АЦП.

LIS331HH [4] имеет аналогичные LIS3DH функциональные возможности в плане режимов работы и интерфейсов с внешними устройствами (рисунок 5). Акселерометр имеет встроенную функцию самотестирования, настраиваемый диапазон измеряемых значений – ±6g/±12g/±24g, частоту следования отсчетов 0.0005…1 кГц, две настраиваемые линии прерывания.

Рис. 5. Структурная схема акселерометра LIS331HH

Рис. 5. Структурная схема акселерометра LIS331HH

Основные характеристики:

  • рабочий температурный диапазон: -40…85°C;
  • независимые выводы питания акселерометра и линий ввода-вывода;
  • I2C-/SPI-интерфейс;
  • потребление в режиме LowPower – менее 10 мкА;
  • шестнадцатибитные выходные данные;
  • детектирование положения 6D;
  • перегрузки до 10000g.

LIS3DSH – малопотребляющий высокопроизводительный трехосевой акселерометр со встроенным программируемым автоматом (машиной состояний) [5] (рисунок 6).

Рис. 6. Структурная схема акселерометра LIS3DSH

Рис. 6. Структурная схема акселерометра LIS3DSH

Диапазон измерений – ±2g/±4g/±6g/±8g/±16g, частота следования отсчетов измерений – 3.125 Гц…1.6 кГц. Акселерометр может быть настроен на распознавание определенных последовательностей событий и генерацию прерываний по их обнаружению. LIS3DSH имеет встроенный FIFO-буфер.

Основные характеристики:

  • рабочий температурный диапазон: -40…85°C;
  • независимые выводы питания акселерометра и линий ввода-вывода;
  • потребление в режиме LowPower – менее 11 мкА;
  • I2C-/SPI-интерфейс;
  • шестнадцатибитные выходные данные;
  • перегрузки до 10000g;
  • встроенный датчик температуры;
  • программируемый автомат;
  • три дополнительных канала АЦП.

Рис. 7. Конечный автомат в LIS3DSH

Рис. 7. Конечный автомат в LIS3DSH

LIS3DSH имеет два встроенных программируемых конечных автомата, способных выполнять пользовательские программы. Программа состоит из набора инструкций, которые определяют переходы между состояниями автомата, возможны также условные переходы. Каждый из автоматов может иметь до 16 состояний. Из каждого состояния возможен переход или в начальное состояние (состояние после сброса) или в следующее. Переход выполняется по выполнению одного из двух условий «RESET condition» или «NEXT condition». Сигнал прерывания генерируется при достижении одного из состояний – output/stop/continue.

Каждый из автоматов может быть запрограммирован на распознавание определенных жестов, свободного падения, определения положения – 6D/4D, подсчет пульса, шагов, распознавание двойного нажатия – т.н. «click/double click», перевороты. Инструкции и условия переходов загружаются хост-устройством в выделенную область памяти.

Автоматы могут работать независимо друг от друга, возможны так называемые синхронные режимы работы, когда второй автомат используется для увеличения количества состояний первого (суммарно до 32 состояний) или как автомат-подпрограмма, исполняющаяся в одном или нескольких состояниях первого автомата (рисунок 8).

Рис. 8. Совместная работа конечных автоматов в LIS3DSH

Рис. 8. Совместная работа конечных автоматов в LIS3DSH

FIFO-буфер имеет четыре режима работы:

  • напрямую (Bypass):
    • буфер FIFO в данном режиме не используется, он пуст
    • режим может быть использован для сброса FIFO из другого режима;
  • FIFO:
    • FIFO продолжает заполняться, пока не достигнет 32 значений, а затем останавливается;
    • для рестарта буфера необходимо перейти в режим Bypass;
  • потоковый – Stream:
    • FIFO работает как кольцевой буфер, старые данные замещаются новыми;
    • режим Bypass используется для остановки данного режима;
  • поток в FIFO (Stream to FIFO):
    • FIFO работает как кольцевой буфер, старые данные замещаются новыми;
    • возможно использование триггера (события на ножках INT1 и INT2).

За исключением отсутствия функции самотестирования и диапазона измеряемых напряжений, акселерометр H3LIS331DL [6] аналогичен LIS331HH. В сравнении с LIS331HH, H3LIS331DL имеет гораздо более широкий динамический диапазон измеряемых ускорений – ±100g/±200g/±400g. По диапазону ускорений видна заявка на применение в спортивных тренажерах, аксессуарах, системах безопасности, автомобильной и спортивной индустрии, системах экстренного торможения.

LIS2DH – трехосевой высокопроизводительный акселерометр с I2C-/SPI-интерфейсом, частотой следования отсчетов 0.001…5.3 кГц [7]. Диапазон измеряемых ускорений задается пользователем и может лежать в пределах ±2g/±4g/±8g/±16g.

Основные характеристики:

  • рабочий температурный диапазон: -40…85°C;
  • независимые выводы питания акселерометра и линий ввода-вывода;
  • потребление в режиме LowPower – менее 2 мкА;
  • I2C-/SPI-интерфейс;
  • шестнадцатибитные выходные данные;
  • детектирование положения 6D/4D;
  • встроенный FIFO-буфер;
  • определение свободного падения;
  • определение начала движения;
  • перегрузки до 10000g;
  • встроенный датчик температуры.

AIS328DQ – трехосевой акселерометр для автомобильных применений с I2C-/SPI-интерфейсом. AIS328DQ может быть настроен на генерацию прерываний по событиям или по изменению положения устройства. QFPN-корпус (4х4 мм) позволяет акселерометру функционировать в диапазоне температур -40…105°C [8]. Среди других особенностей акселерометра – следующие:

  • потребление в режиме LowPower – менее 10 мкА;
  • шестнадцатибитные выходные данные;
  • детектирование положения 6D;
  • перегрузки до 10000g.
  • два независимых конфигурируемых источника прерывания;
  • диапазон измерений: ±2g/±4g/±8g;
  • линии ввода-вывода, совместимые с логикой 1.8 В.

Акселерометры в составе модулей INEMO

Помимо выпуска отдельных изделий, компания STMicroelectronics интегрирует акселерометры в более сложные датчики – на одном кристалле с гироскопом, магинитометром и различными их комбинациями. Возможные варианты интеграции:

  • акселерометр + гироскоп (LSM330);
  • акселерометр + магнитометр (LSM303, LSM6D);
  • акселерометр + гироскоп + магнитомер (LSM9DS);
  • модуль акселерометр + гироскоп + магнитомер + микроконтроллер (INEMO-M1).

Отладочные платы с акселерометрами

Одной из отладочных плат для работы с MEMS-датчиками STMicroelectronics является STEVAL-MKI109V2, построенная на базе 32-битного микроконтроллера STM32F103RET6 [9]. Плата имеет USB-, JTAG-/SWD-интерфейсы, поддерживается режим DFU (Device Firmware Upgrade). Для подключения дочерних плат MEMS-датчиков предусмотрен разъем DIL24 (платы семейства MKI10xx). Более подробно с характеристиками отладочных плат с акселерометрами производства компании STMicroelectronics можно ознакомиться в таблице 3.

Таблица 3. Отладочные и ознакомительные платы STMicroelectronics с акселерометрами

Наименование Описание
STEVAL-MKI009V1 Плата с LIS3LV02DL для разъема DIL20
STEVAL-MKI013V1 Плата с LIS302DL для разъема DIL24
STEVAL-MKI015V1 Плата с LIS344ALH для разъема DIL24
STEVAL-MKI031V1 Демонстрационная плата в миниатюрном корпусе с LCD-дисплеем
STEVAL-MKI087V1 Плата с LIS331DL для разъема DIL24
STEVAL-MKI089V1 Плата с LIS331DLH для разъема DIL24
STEVAL-MKI105V1 Плата с LIS3DH для разъема DIL24
STEVAL-MKI109V2 Материнская плата eMotion на базе STM32F103
STEVAL-MKI110V1 Плата с AIS328DQ для разъема DIL24
STEVAL-MKI134V1 Плата с LIS3DSH для разъема DIL24
STEVAL-MKI135V1 Плата с LIS2DH для разъема DIL24

Кроме указанных отладочных плат акселерометры присутствуют на платах STM32F4DISCOVERY.

Рис. 9. Внешний вид отладочной платы MKI109V2

Рис. 9. Внешний вид отладочной платы MKI109V2

Для ряда акселерометров на сайте STMicroelectronics доступны исходные тексты драйверов для применения во встраиваемых системах, а также для ОС Linux (таблица 4).

Таблица 4. Примеры драйверов для акселерометров STMicroelectronics

Наименование Описание
STSW-MEMS004 Драйвер для LIS331DLH
STSW-MEMS006 Драйвер для LIS3DH
STSW-MEMS015 Драйвер для AIS328DQ
STSW-MEMS021 LIS2DH Linux-драйвер
STSW-MEMS022 LIS331DLH Linux-драйвер
STSW-MEMS023 LIS3DH Linux-драйвер
STSW-MEMS024 LIS3DSH Linux-драйвер

 

Заключение

Ассортимент акселерометров производства компании STMicroelectronics перекрывает практически весь спектр возможных применений проборов с функцией измерения ускорения – от мобильных телефонов и планшетов до автомобильных систем и спортивного инвентаря.

В качестве ключевых достоинств можно отметить простой интерфейс с хост-системой, наличие нескольких рабочих режимов, конфигурируемые условия генерации сигналов прерываний.

Целый ряд моделей имеет встроенные программируемые конечные автоматы, позволяющие определять условия распознавания сложных перемещений, например, жестов. Наличие FIFO-буферов в некоторых моделях позволяет снизить нагрузку на хост-контроллер и реализовывать более гибкие алгоритмы получения и обработки данных с датчиков.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

ST_ LIS3DH_NE_07_14_opt
•••

Наши информационные каналы

О компании STMicroelectronics

Компания STMicroelectronics является №1 производителем электроники в Европе. Компоненты ST широко представлены в окружающих нас потребительских товарах – от iPhone до автомобилей разных марок. Лидеры индустриального рынка выбирают компоненты ST за их надежность и выдающиеся технические параметры. В компании ST работает 48 000 сотрудников в 35 странах. Производственные мощности расположены в 12 странах мира. Более 11 тысяч сотрудников заняты исследованиями и разработками – инновационное лидерство ...читать далее